Class Set Simple Machines

Spielerische Vermittlung von mechanischen und technischem Grundprinzipien

Einfache Maschinen begegnen uns im Alltag überall. Sie helfen uns dabei, Arbeit mit möglichst geringem Kraftaufwand zu verrichten. Die mechanischen und technischen Grundprinzipien und Wechselwirkungen von Kräften werden anhand anschaulicher und schnell aufzubauender Modelle vermittelt. Durch das Erforschen dieser Prinzipien und praxisnaher Beispiele verfestigt sich das Erlernte spielerisch. Die Krönung des Baukastens ist eine Maschine zur Weitergabe eines Balls, an der die ganze Klasse mit verschiedenen Modulen beteiligt ist und in der die erlernten Prinzipien mit Bau- und Spielspaß vereint werden. So werden ganz nebenbei soziale und feinmotorische Kompetenzen gefördert.

Anzahl Schüler
bis zu 30 Schüler pro Baukasten
Lernziele
Kennenlernen von mechanischen und technischen Grundprinzipien
Zeitaufwand
Jede Aufgabe enthält detaillierte Zeitangaben für die Unterrichtsstrukturierung
Klassenstufe
Primarstufe

Themen und Lernziele

 

Weiterführende Informationen

Einführung ins Thema
Der Klassensatz Simple Machines ermöglicht einen niederschwelligen Zugang zu wichtigen mechanischen Grundlagen und deren physikalischer Wirkung für den Sachunterricht in der Primarstufe. Alltägliche technische Funktionsbereiche werden spielerisch und praxisnah konstruiert, erforscht und regen zum Reflektieren an. Selbständig oder im Team bauen Schüler*innen einfache und anspruchsvollere Maschinen, Automaten, Werkzeuge und physikalische Modelle. Prozessbezogene Kompetenzen werden durch das Lösen von Problemstellungen, dem vertieften Erforschen und Anregungen für kreative Änderungen der Modelle gefördert.
Der Spaß am Tüfteln und die Freude an einer einwandfrei funktionierenden Mechanik sind ebenso wichtige Elemente wie die spielerische Erarbeitung relevanter Fachbegriffe anhand einer Vielzahl von Aufgaben und deren Lösungsbeispielen. Durch die Beschäftigung mit den einfachen Maschinen trägt der Sachunterricht dazu bei, dass Schülerinnen und Schüler ihre Umwelt anders wahrnehmen und die Wirkprinzipien einfacher Maschinen wie ein Muster in den vielfältigen Alltagsanwendungen wiedererkennen.

Mechanische Grundlagen

Am Beispiel von verschiedenen Türkonstruktionen können Grundlagen der Mechanik spielerisch erforscht, Alltagsbezüge hergestellt und technische Problemlösungen reflektiert werden. Mit verschiedenen Waagen wird das Wiegen als Möglichkeit des Abmessens und Vergleichens und die Hebelmechanik untersucht. An einem Kranmodell werden die erworbenen Kenntnisse schrittweise ergänzt und vertieft. 

Gemeinschaftsprojekt „Ballweitergabe“

Mit Ballweitergabemodellen werden unterschiedliche mechanische Lösungswege für die gleiche Aufgabe herausgearbeitet und miteinander verglichen. Zugleich wird konkret die personale und soziale Kompetenz der Schülerinnen und Schüler in Form von Teamarbeit angeregt, denn die verschiedenen Module lassen sich zu einer beliebig langen Maschine zusammenfügen. Dadurch entsteht ein beeindruckendes Gemeinschafts- und Abschlussprojekt für die ganze Klasse.

Was sind einfache Maschinen?

Unter dem Begriff „einfache Maschinen“ (auch als kraftsparende, kraftumformende oder arbeitserleichternde Maschinen bezeichnet) werden Werkzeuge oder mechanische Vorrichtungen zusammengefasst, die der Umwandlung einer Kraft dienen oder die Wirkung einer Kraft optimieren. Beispiele für einfache Maschinen sind das Seil, der Hebel, die Rolle und die schiefe Ebene (Keil), die in irgendeiner Kombination in fast jeder Kraftmaschine vorkommen.

Daraus ergibt sich eine große Themenvielfalt, die spielerisch leicht von den Schülerinnen und Schülern erforscht werden kann. Die Aufgabenblätter sind entsprechend den Bildungsplänen kompetenzorientiert formuliert. Ziel ist es, das eigene Denken beim Problemlösen zu kontrollieren, reflektieren und zu bewerten und so neues Wissen aufzubauen. Probleme sollen erkannt, Problemlösestrategien entwickelt und angewendet werden.

  • Gelenke und Scharniere: Wie kann etwas drehbar und gelenkig gelagert werden?
  • Sperrklinken in vielen Formen und Anwendungsfällen: Wie kann etwas daran gehindert werden, sich in die falsche Richtung zu bewegen?
  • Hebelmechaniken: Erfahren der Wirkung von Hebeln, schwenkende Hebel, mehrere gekoppelte Hebel.
  • Exzenter: Die Umsetzung einer Drehbewegung in eine hin- und her-Bewegung, gezeigt an unterschiedlichen Szenarien.
  • Federnde Mechanismen: Zurückstellen von Mechaniken mittels Federkraft, Federn als Energiespeicher – dargestellt in natürlichen und leicht begreifbaren
  • Modellsituationen.
  • Seilzüge und Flaschenzüge – in verschiedenen Ausbaustufen Schritt für Schritt zum Ausprobieren.
  • Lineare Bewegungen entlang von Führungsschienen.

Schauen wir uns ein wenig um, sehen wir fast überall einfache und komplexe Mechaniken. Sie spielen in der Lebenswelt eine große, wenn auch häufig unerkannte oder versteckte Rolle. Vom einfachen Hebel über die Mechanik in einer Zimmertür über Kräne bis zu vielfältigen, raffinierten mechanischen Lösungen ein und derselben Aufgabenstellung. Ihre Berechtigung hat die Auseinandersetzung mit den einfachen Maschinen aufgrund des hohen Lebensweltbezugs und des kulturell verankerten Wissens, das mit ihnen verknüpft ist.

Grundlagen

Folgende Themen und Fachbegriffe werden mit den Anwendungsmodellen behandelt:

  • Gelenke
  • Kurbeltriebe
  • Zahnradgetriebe
  • Hebelwerke
  • Seiltrommeln und Seilzüge
  • Flaschenzüge
  • Sperrklinken
  • Waagen
  • Federnde Elemente

Alle Modelle sind möglichst einfach gehalten – die Konstruktionen sind darauf ausgelegt, innerhalb einer Schulstunde aufgebaut, getestet und erforscht zu werden. Es bleibt viel Raum, auch kompliziert klingende Mechanismen wie z.B. das Viergelenkgetriebe oder einen Linearvorschub kennen zu lernen.

Historie
Mechanische Konstruktionen gibt es seit Menschengedenken, angefangen mit einfachen Hebeln über die Erfindung des Rades bis zu immer komplexeren Maschinen. Rolle, Hebel und Wellrad wurden in Verbindung mit Seilen schon im Altertum zu Hebewerkzeugen und kranähnlichen Konstruktionen zusammengesetzt. Diese wurden vor allem am Bau verwendet. Schon um 700 v. Chr. war das Prinzip des Flaschenzugs in Griechenland bekannt, der Hebel schon seit Urzeiten. Archimedes (287-212 v. Chr.) formulierte die sogenannten Hebelgesetze. In der Antike wurden auch die ersten empirisch gemachten Erfahrungen mit Hilfe von Geometrie, Mathematik und reichem Erfindergeist systematisiert, immer besser verstanden und bis heute in kaum zählbaren Einsatzzwecken zur Anwendung gebracht.
Heron von Alexandria, ein griechischer Mathematiker und Ingenieur des ersten nachchristlichen Jahrhunderts erfasste in seinen Schriften Rad, Rolle, Hebel, Keil und Schraube als Elemente einfacher Maschinen. Im Mittelalter in Vergessenheit geraten wurde sein Text in einer arabischen Übersetzung in der Renaissance wiederentdeckt. Die Ingenieure jener Epoche fügten noch die schiefe Ebene zu den einfachen Maschinen hinzu. Gemeinsam ist diesen, dass sie die Grundbausteine jeder komplexeren Maschinenmechanik sind – heute würden wir sie jedoch eher als Maschinenelemente bezeichnen. Fast ein wenig trivial erscheinen sie uns im Informationszeitalter. Und doch sind sie das Fundament, auf dem die technische Zivilisation entstand. 
Lehrplanbezug

Land

Stufe/Fächer

Bezüge

BW

Primarstufe

GS 1/2 SU-3.1.3.3 Bauten und Konstruktionen (4), S.24; GS 3/4 SU-3.2.3.3 Bauten und Konstruktionen (1)(2)(3), S. 46;

BY

Primarstufe

GS 1/2 HSU-6.2 Bauen und Konstruieren, S. 240; GS 3/4 HSU-1.1 Die Welt untersuchen und erklären, S. 80; GS 3/4 HSU-6.2 Bauen und Konstruieren, S. 249

BE

Primarstufe

GS 1-4 SU-3 Themen und Inhalte - Zur technischen Perspektive, S. 25 ff.; GS 1-4 SU-3.4 Wohnen, S. 40; GS 1-4 SU-3.7 Wohnen, S. 41

BB

Primarstufe

GS 1-4 SU-3 Themen und Inhalte - Zur technischen Perspektive, S. 25 ff.; GS 1-4 SU-3.4 Wohnen, S. 40; GS 1-4 SU-3.7 Wohnen, S. 41

HB

Primarstufe

Funktionsweisen von einfachen Maschinen und Geräten in GS 1/2 SU-Technik und Medien, S.31; Technische Gegenstände als bedürfnisorientierte Problemlösungen in GS 3/4 SU-Technik und Medien, S.32;

HH

Primarstufe

GS 1/2 SU-Technik begreifen, S.29; GS 3/4 SU-Technik begreifen, S.29

HE

Primarstufe

GS 1/2 SU-B 2.2.5 Technik, S. 133; GS 3/4 SU-B 2.2.5 Technik, S. 133

MV

Primarstufe

GS 3/4 WERKEN-Erkunden und Gestalten der bebauten Umwelt – Bauen S.19

NI

Primarstufe

GS 1/2 SU-3.1 Technik, S. 18; GS 3/4 SU-3.1 Technik, S. 19

NW

Primarstufe

GS 3/4 SU-3.2 Technik und Arbeitswelt, S. 45

RP

Primarstufe

GS 1-4 SU-4 Naturphänomene, S. 20; GS 1-4 SU-4 bebaute und gestaltete Umwelt, S. 25;

SL

Primarstufe

GS 3/4 SU-4 Technik, S.28, S.30

SN

Primarstufe

GS 1/2 WERKEN-LB3 Bauen stabiler Konstruktionen, S.7.; GS 3 WERKEN-WB3 Brücken, Türme und Mauern, S.12

ST

Primarstufe

GS 1/2 GESTALTEN-Konstruieren/Formen/Fertigen, S. 13, 14; GS 3/4 GESTALTEN-Konstruieren/Formen/Fertigen, S. 13, 14

SH

Primarstufe

GS 1/2 TECHNIK-Arbeit und Produktion, S. 166; GS 3/4 FA SU-3.2.5 Themenfeld: Technische Erfindungen, S. 22; GS 3/4 TECHNIK-Transport und Verkehr, S. 167

TH

Primarstufe

GS 1/2 WERKEN-2.2.1 Realisieren stabiler Grundkonstruktionen, S. 18 ff.; GS 3/4 WERKEN-2.2.3 Fahrzeugbau -Fördertechnik, S. 22






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